高溫波紋板空氣預熱器的製作方法

2023-12-03 01:52:46 2

專利名稱：高溫波紋板空氣預熱器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種直接利用高溫煙道氣加熱空氣，充分回收一次能源的波紋板空氣預熱器，它主要包括波紋板、波紋板的間距定距件。
利用煙道氣加熱空氣的技術，到目前已有了很大的發展，出現了許多形式的空氣預熱器，如管式預熱器、鋼-水熱管預熱器、迴轉式預熱器等，都為煙道氣的餘熱利用作出了自己的貢獻。但是這些現有技術在實際應用中都有些不夠理想的地方，有的承受不了溫度較高的煙道氣，必須將煙道氣的溫度降低到500℃以下才能工作;有的雖能承受溫度較高的煙道氣，但其它性能參數較差，不能把空氣加熱到較高的溫度(一般都在250℃以下);有的設備龐大，結構複雜、製造麻煩。發明者在準備提出專利申請之前，對現有技術進行了國際聯機檢索，還未發現以波紋板作傳熱面利用高溫煙道氣加熱空氣的這種型式的預熱器。
西德專利DE3330-254-A公開了一種以波紋板作傳熱面的換熱器，用在空氣調節裝置中加熱空氣。傳熱板是由平板和在其兩側設置的波紋板所組成。平板與波紋板可用機械構件連接，也可粘結或者焊接。由若干這樣的傳熱板組成的傳熱板束，是靠傳熱板的平板浸漬粘結而形成，同時也在傳熱板之間形成了許多氣體通道。由於這種結構和製造方法，必然存在一些不足，如該換熱器不能用於高溫工況下，因為工作介質的溫度較高時，粘結劑將熔化，而靠浸漬粘結形成的傳熱板束則會鬆動，換熱器不能正常工作。另外，氣體從通道中流過時，仍以直線流動，波紋板僅起擴展面(二次表面)的作用，沒有起到強化氣體湍流的作用，因此，在相同的雷諾數下，給熱係數低。
美國專利US-4586-563-A公開了一種由管子和波紋板組成的換熱器，用於使水加熱空氣。該換熱器的特點是，排列規則的管子插進波紋板束的孔中，波紋板上的凸臺與相鄰波紋板上的凹臺相接而構成波紋板的間距定距件，水流經管內，空氣流經波紋板之間的通道進行換熱。只要對該換熱器的結構作一些分析，就不難看出其存在的不足。第一，該換熱器的管內流體的換熱面是管子的壁面，波紋板面只起管外流體二次換熱面的作用，因此，若用作氣-氣相換熱，管內給熱係數較小，換熱效率低。第二，氣體在波紋板間順著波紋方向(即垂直波峰方向)流動，且要繞過管子和波紋板間的定距件，流體阻力大。第三，換熱器的結構顯然十分複雜，製造也十分麻煩。
本發明的目的在於避免上述現有技術中的不足之處，而提供一種安全可靠地直接利用高溫煙道氣(850℃)將空氣加熱到較高的溫度(600℃)、流體流動阻力小，傳熱效率高、結構簡單、製作容易的空氣預熱器。
為了實現本發明的目的、設計出一種理想的空氣預熱器，本發明的設計者查閱了大量國內外換熱器的文獻資料，對已有的各種形式的換熱器，從傳熱學、流體力學、結構熱應力和製造工藝學的多種角度進行了深入廣泛的研究，全面掌握了各種換熱的結構特點。經過長達六年的工作努力，在巧妙地吸取了其它換熱器優點的基礎上，創造性地提出了新的技術方案，能圓滿地實現本發明的目的。
本發明的目的可通過下面的技術措施來達到波紋板的四周製作成平邊，平邊與密封體相焊接形成傳熱板束和氣體傳熱空間，波紋板的其餘板面為布滿波紋的傳熱面。波紋板的間距定距件是管狀的，稱為定距管，其軸線與氣體流動方向一致。也正是由于波紋板與密封體相焊接形成傳熱板束和氣體傳熱空間，使得本發明能在煙道氣溫度高達850℃的工況下安全地操作，克服了浸漬粘結和墊片密封連接結構不能用於高溫工況下的不足。波紋板四周製成直邊，是為了便於焊接，提高焊接質量，使得本發明在高溫工況下工作更為可靠。波紋板的板面除四周很小一部分用於焊接的平邊外，其餘均為布滿波紋的傳熱面，旨在為了在低雷諾數下促進氣體湍流，擴大傳熱面，增大傳熱效率。把波紋板的間距定距件設計成管狀，管子的軸線與氣體的流動方向一致，這樣可大大降低氣體流動阻力。即使在氣體壓力差很小的情況下，也能達到理想的傳熱效果。
把波紋板四周的平邊製作成，在與氣體流動方向平行的平邊為直平邊，在與氣體流動方向垂直的平邊為斜平邊，並且直平邊與稱為堵風條的密封體相焊接，斜平邊與稱為堵風塊的密封體相焊接，則比較好，有利於本發明目的實現。
定距管的端面可製作成斜面，斜面的下邊(銳角形成的邊)焊在波紋板的波峰上。定距管的這種結構形式和焊接特點，特別方便焊接施工，能比較好的達到發明目的。
相鄰波紋板間的間距大小，對流體的流動性能影響很大，距離太小，流體阻力太大，距離太大，則給熱係數小，傳熱效果差。該距離的大小是由定距管在該方向的外徑尺寸所決定。定距管在該方向的尺寸為5～12毫米時，氣體的流動性能比較好，能更好地實現發明的目的。定距管的具體尺寸是根據氣體量和氣體的最佳流速，按照為本發明專門建設的實驗臺實驗測定出。
本發明如果再採取以下措施，可獲得最佳的目的效果。將上面所述的波紋板、定距件、密封體和其它的一些部件組成傳熱單元，本發明所揭示的預熱器是由這樣的兩個傳熱單元所組成，一個是高溫側傳熱單元，一個是低溫側傳熱單元，兩個傳熱單元用帶鉸鏈的螺栓固定在一起，兩個傳熱單元的氣道由連接箱接通，整個預熱器成π型布置。預熱器由兩個傳熱單元組成，整體採用這種獨特的π型結構，有如下優點第一，克服了鋼板規格(最長只有兩米)的限制，增長了煙道氣、空氣流通的長度，使其能夠很充分地進行熱交換，達到煙道氣的排氣溫度低，空氣預熱的溫度高，而設備結構又不複雜。第二，高溫側傳熱單元用不鏽鋼製作，低溫側傳熱單元可用碳鋼製作，預熱器的成本降低。第三，兩種換熱介質在兩個傳熱單元中能完全成逆流換熱，傳熱效果最好，而接管布置又簡單。連接箱除具有上述作用之外，還可消除一部分兩個傳熱單元熱變形不一致所產生的熱應力。把兩個熱變形不一致的傳熱單元固定在一起，是一個十分令人頭痛的問題，本發明的設計者創造性地採用了帶鉸鏈的螺栓這一結構，巧妙地解決了該問題，避免了為了防止熱應力破壞而採用笨重粗大的固定結構。
對於用於高溫環境下的換熱器，消除或降低各部件由於熱變形不一致而產生的熱應力是一個十分重要的問題，有些結構的換熱器之所以不能用於高溫條件下，正是由於該問題沒有得到很好的解決。本發明能夠在煙道氣溫度高達850℃的工況下安全可靠地工作，也正是由於本發明的獨特結構設計所至。本發明除了上述提及到的消除熱應力的措施之外，還採取了以下措施預熱器通過膨脹節與管道接通;預熱器通過支承件放置在支承架上。另外波紋板本身也有很好的消除熱應力的作用。
本發明與現有技術相比主要具有以下優點。由於本發明所具有的獨特結構設計和整體布局，使得本發明獲得了理想的流體流動特性和傳熱特性，完全能夠在煙道氣高達850℃的工況下安全工作，把常溫空氣預熱到600℃，從預熱器排出的煙道氣溫度降低到140℃～160℃。本發明的整機流體阻力極低，在整機的總傳熱面為160平方米，每小時處理煙道氣2750立方米的情況下，整機流體阻力還不足24毫米水柱，取得了預料不到的效果。本發明的傳熱效率也十分高，與傳熱效率高而著稱的迴轉式空氣預熱器的傳熱效率接近，在設計工況下，溫度效率85%左右。但是迴轉式預熱器只能承受500℃的煙道氣，結構十分複雜，並且在預熱過程中，兩種氣體還有15%左右的混合，而本發明則不存在這種問題。本發明與很長一段時間人們研究的熱門換熱器，即鋼-水熱管空氣預熱器相比，不僅傳熱效率高，適用溫度也遠遠高於該種預熱器，該預熱器的適用煙道氣溫度最高為450℃，預熱空氣最多也只能達到250℃。本發明與適用溫度相近的管式換熱器相比，其優點更是多方面的，表1對此作了有力的證明。
又由於從本發明排出的煙道氣溫度低，使機械化排煙成為可能，具備了用鋼管或鐵管建造煙囪的條件，使投資大大地降低。在工業化試驗中，整個熱量回收系統的投資費用不足混凝土、磚砌煙囪的四分之一。
本發明從實驗條件下的小試、中試到工業化生產試驗，都完全重複地證明了本發明具有上述優點。在工業化生產試驗中，安裝有本發明的耗氣量為每小時197標準立方米天然氣的加熱爐與原安裝有管式預熱器的加熱爐相比，每小時節約天然氣81立方米，節能40%，一年按300天計算，共節約天然氣583200立方米，效益驚人。
本發明還具有以下的優點結構緊湊、重量輕、佔地面積小、結構簡單、製造工藝性好、工裝夾具投資少，中、小型有機械加工能力的工廠都可製造。
本發明除了可用於利用煙道氣加熱空氣的場合外，還可用於其它氣-氣換熱的場合。
以下給出


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圖1是本發明的結構示意圖。(1)是空氣進口管，(2)是空氣進口錐體，(3)是空氣出口管，(4)是空氣出口錐體，(5)是煙道氣進口管，(6)是煙道氣進口錐體，(7)是堵風條，與波紋板(10)相焊接，(8)、(9)皆為波紋板間距定距管，焊在波紋板的波峰上，(11)、(12)均為堵風塊，與波紋板相焊接。堵風條和堵風塊均為傳熱空間的密封體，與波紋板相焊，構成了傳熱空間和傳熱板束。(13)是煙道氣出口錐體，(14)是煙道氣出口管。(15)是固定角鋼。
圖2是本發明的傳熱件波紋板。(16)是斜平邊，用於與堵風塊(12)相焊接，(17)是直平邊，用來與堵風條相焊接。
圖3是定距管與波紋板相焊接的局部放大圖。(10)是波紋板，(9)是定距管，(18)是定距的斜面，斜面的下邊焊在波紋板的波峰上。
圖4是由高溫側傳熱單元(21)和低溫側傳熱單元(20)組成的預熱器整體外形示意圖。(19)是將兩個傳熱單元的氣道接通的連接箱。(22)是帶鉸鏈的螺栓，與固定角鋼(15)一起把兩個傳熱單元固定在一起。(23)是空氣進入預熱器的入口，(24)是空氣從預熱器出來的出口，(25)是煙道氣進入預熱器的入口，(26)是煙道氣從預熱器出來的出口。
下面給出本發明的一個實施例。
在冶金工業部屬某鋼廠進行工業化實驗的波紋板空氣預熱器，是由兩個傳熱單元組成，整體成π型布局。兩個傳熱單元的氣道由連接箱(19)溝通，由四排帶鉸鏈的螺栓(22)固定在一起，整個預熱器通過固定在自身上的支承件放置在支承架上。高溫側傳熱單元(21)的材質為1Gr18Ni9Ti，低溫側傳熱單元的材質為A3鋼。波紋板(10)的四周有一尺寸不大的平邊，與氣體流動方向平行的平邊為直平邊(17)，用來與堵風條(7)相焊接，與氣體流動方向垂直的平邊為斜平邊(16)，用來與堵風塊(12)相焊接。波紋板(10)的間距由定距管(9)確定，定距管(9)為普通的圓管，外徑為8毫米，定距管(9)的端面為斜面(18)，斜面(18)的下邊(銳角形成的邊)點焊在波峰上，定距管(9)的軸線與氣體流動方向一致。煙道氣的進口管和出口管均通過膨脹節與管道接通。預熱器的傳熱面積為160平方米，波紋板長2米。用850℃的煙道氣加熱常溫空氣，從預熱器出來的空氣溫度達620℃，煙道氣的溫度降低為140℃。每小時處理煙道氣2750立方米，預熱器的整機流體阻力僅為22毫米水柱，溫度效率為85%。安裝有本發明的加熱爐與原安裝有管式預熱器的加熱爐相比，加熱爐節約能源40%，每小時節約天然氣81立方米，經濟效益十分顯著。
表1
注表中數據均為設計工況下所達到的值。
權利要求
1.一種可利用高溫煙道氣加熱空氣的波紋板空氣預熱器，包括波紋板(10)和波紋板間距定距件，其特徵在于波紋板的四周有平邊，密封體與平邊相焊接，形成傳熱板束和氣體傳熱空間，波紋板的其餘板面布滿波紋，波紋板的間距定距件為定距管(8)、(9)，軸線與氣體流動方向一致。
2.根據權利要求1所述的預熱器，其特徵在於所說的波紋板(10)四周之平邊，在與氣體流動方向平行的平邊為直平邊(17)，直平邊與稱為堵風條(7)的密封體相焊接，在與氣體流動方向垂直的平邊為斜平邊(16)，斜平邊與稱為堵風塊(11)、(12)的密封體相焊接。
3.根據權利要求1、2所述的預熱器，其特徵在於定距管的端面為斜面(18)，斜面的下邊(銳角形成的邊)焊在波紋板的波峰上。
4.根據權利要求1、2所述的預熱器，其特徵在於定距管在垂直于波紋板方向的外徑尺寸為5～12毫米。
5.根據權利要求3所述的預熱器，其特徵在於定距管在垂直于波紋板方向的外徑尺寸為5～12毫米。
6.根據權利要求1、2所述的預熱器，其特徵在於預熱器由高溫側傳熱單元(21)和低溫側傳熱單元(20)組成，兩傳熱單元由帶鉸鏈的螺栓(22)相固定，連接箱(19)接通兩傳熱單元的氣道，預熱器整體成π型布置。
7.根據權利要求3所述的預熱器，其特徵在於預熱器由高溫側傳熱單元(21)和低溫側傳熱單元(20)組成，兩傳熱單元由帶鉸鏈的螺栓(22)相固定，連接箱(19)接通兩傳熱單元的氣道，預熱器整體成π型布置。
8.根據權利要求4所述的預熱器，其特徵在於預熱器由高溫側傳熱單元(2)和低溫側傳熱單元(20)組成，兩傳熱單元由帶鉸鏈的螺栓(22)相固定，連接箱(19)接通兩傳熱單元的氣道，預熱器整體成π型布置。
9.根據權利要求5所述的預熱器，其特徵在於預熱器由高溫側傳熱單元(21)和低溫側傳熱單元(20)組成，兩傳熱單元由帶鉸鏈的螺栓(22)相固定，連接箱(19)接通兩傳熱單元的氣道，預熱器整體成π型布置。
全文摘要
本發明是一種可利用高溫煙道氣加熱空氣的波紋板空氣預熱器。本發明的主要技術特徵為，傳熱件是波紋板，波紋板與密封體相焊接形成傳熱板束和傳熱空間，波紋板的間距定距件是管狀的。由於本發明獨創的結構設計，使得本發明能承受溫度高達850℃的煙道氣，把空氣從常溫加熱到600℃，而煙道氣的溫度降低到160℃以下。在設計工況下操作，溫度效率不低於85％，整機流體阻力不足24毫米水柱。在工業試驗中，與原設備相比，能源節約40％。
文檔編號F23L15/00GK1033866SQ8710831
公開日1989年7月12日 申請日期1987年12月30日 優先權日1987年12月30日
發明者吳雪, 王志聖, 劉玉良 申請人:成都科技大學